Continental collision including a weak zone: the vise model and its application to the Newfoundland Appalachians

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Abstract

Continental collision generally occurs after a protracted history of rifting, sedimentation, and subduction. Inherited material heterogeneities and thermal effects from terrane accretion and amalgamation may control subsequent collisional deformation. Such strength contrasts may have played an important role in the Silurian evolution of the Newfoundland Appalachians. A cross-sectional plane-strain numerical model is used to investigate the effect of a weak zone embedded between stronger model crust (the “vise”) on the deformation style of orogens. In contrast to collision of uniform strong crust in which deformation is directly related to the underlying subduction of mantle lithosphere, deformation in vise models can propagate out to the ends of the vise in a diffuse manner. This distributed tectonic style depends on the relative strength of the embedded weak zone, the degree of coupling of this zone to underlying layers, and the effect of gravity acting on thickened crust. For weak coupling at the base of the crust, results are insensitive to the behaviour of the underlying model mantle (e.g., subduction, subduction retreat, or pure-shear thickening). Vise model results are in first-order agreement with the following characteristics of Newfoundland Silurian tectonics: (i) a diffuse deformation style distributed over a weak core zone more than 100 km wide, (ii) lack of indirect evidence of mantle dynamics from crustal reflectivity fabric, and (iii) lack of clear evidence for significant crustal thickening during orogeny.

Une collision continentale se manifeste généralement après une longue histoire d'événements de dérive, sédimentation, et subduction. La diversification hétérogène du matériel hérité et les effets thermiques de l'accrétion et d'amalgamation de terranes peuvent contribuer à régir la déformation subséquente à la collision. Une telle variété de forces agissantes a peut-être jouer un rôle important dans l'évolution des Appalaches de Terre-Neuve au Silurien. Un modèle numérique de déformation, appliquée à une coupe transversale plane, est utilisé pour évaluer l'influence d'une zone de faiblesse intercalée dans une croûte modèle plus compétente (la vise), sur le style de déformation des orogènes. Contrairement au cas de collision d'une croûte compétente entièrement uniforme, pour laquelle la déformation est liée directement à la subduction sous-jacente de la lithosphère mantellique, la déformation des croûtes-modèles de type vise peut se propager par diffusion à leurs extrémités. Le style tectonique aménagé dépend de la compétence relative de la zone de faiblesse intercalée, de son degré de couplage avec les couches sous-jacentes, et de l'effet de la force gravitationnelle agissant sur la croûte épaissie. Dans le cas d'un couplage faible à la base de la croûte, les résultats ne sont aucunement liés au comportement du manteau-modèle sous-jacent (ex., subduction, retrait de la subduction, ou épaississement par cisaillement pur). Les résultats de l'application du modèle vise pour la tectonique silurienne à Terre-Neuve indiquent un accord de premier ordre avec les particularités suivantes: (i) un style de déformation diffuse distribuée au travers une zone de 100 km de large comprenant un noyau incompétent, (ii) l'absence d'indicateurs indirects de la dynamique du manteau par une réflectivité de la fabrique crustale, et (iii) l'absence de traces explicites d'un épaississement crustal significatif durant l'orogénie.

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